半導体のスピン空間構造が生むスピン・量子機能の探求
私たちの豊かで安全、快適・便利な暮らしは、日進月歩の進歩を遂げるエレクトロニクス機器の恩恵にあずかるところが大きいといえます。
半導体素子によって電子の電荷を制御し、情報を処理することで機器をコントロールするエレクトロニクス製品は、デバイスを微細化・集積化することで発展してきました。
しかし、今後IoTやAIさらには量子情報など、これまでの私たちの生活とは全く異なる次元で情報を扱う未来量子情報社会では、爆発的な情報量の増大が懸念されており、既存の半導体集積回路の延長線上とは異なる情報デバイスの変革が必要とされています。
その変革を先導するのが「スピントロニクス」や「量子技術」に基づく新しい概念の情報処理やそれを可能にする新原理です。
私たちは、半導体における電子スピンを超精密に制御することで初めて可能となる、様々な物理現象を理論・実験両面から見出し次世代情報処理デバイスに必要な機能を創出する研究を進めています。
スピントロニクスはその名の通り、電子のスピン（電子の自転によって生じる磁力）を利用するもので、電子スピンの向きを自在に制御することにより、電荷のみでは実現できない新しい機能の実現を目指すものです。
ただし、これまではスピンの方向が一様に揃ったスピン流と呼ばれるスピンの流れを用いて情報処理や情報記録を行う研究がメインでした。
その中で、私達はスピンが空間的に回転しながら伝搬する電子スピンの波、すなわち「電子スピン波」が安定に存在できかつ外部制御できることを突き止めました
(M. Kohda et al., Phys. Rev. B 86, 081306(R) (2012))。
これは、電子スピンの向きがバラバラにならずワルツを踊るかのように電子スピン同士の足並みがピタッと揃い一斉に回転しながら動く新しい原理です。
私達は半導体において電子スピンの空間構造を活用する新しい研究領域「ヘリカルスピントロニクス」を開拓すると共に、超高速・超省エネの量子コンピュータや次世代情報処理デバイスに向けた機能創出を目指しています。
この電子スピンの空間構造に関する研究と双対をなすのが、強磁性体における磁化の空間構造が生む多彩な物理現象です。
その例は、磁気秩序の連続的な変化が生む波「マグノン」やトポロジカルな性質を示すスキルミオン、磁化の回転の内部自由度を有するカイラル磁壁、ノンコリニア磁性体等多岐に渡ります。
これら磁性体の空間構造は、世界規模で研究展開がなされ基礎概念の革新からデバイス応用に至る研究が現在進行形で進められています。
ではなぜ半導体における電子スピンの空間構造はこれまで明らかになってこなかったのでしょうか？
磁性体の場合、磁気秩序の空間構造は磁気光学および磁気伝導測定を介して、局所磁化を直接検出したり伝導電子を介して抵抗変化として観測するなど多彩な検出方法が存在し、それらを駆使して観測することが可能です。
一方半導体は、そもそもスピンに偏りのない非磁性体であるために、定常状態においてスピンの空間構造自体が半導体の中にあらわれることは通常ありません。 外から励起する必要があるからです
さらに、半導体における電子スピン緩和時間が比較的短いために、スピンの空間構造を観測する時間領域も限られていました。
この様な理由から、半導体のスピン空間構造はいわば隠された状態にあったと言えます。
しかし、スピン空間構造自体を安定化できる原理を見出せたことで、非磁性体である半導体においても様々なスピン空間構造が発現し、新たな物理現象や新機能に遭遇する機会が増えてくると考えられます。
何より磁性体に見られるような多彩な物性が半導体においても期待でき、半導体・磁性体に依らずに、より普遍的な物性や原理を見出せる可能性を秘めています。
様々な半導体材料の物性開拓と次世代情報デバイスへの応用
好田研究室の取り組み、そのもう一つの柱が様々な半導体材料を用いたスピン物性開拓と次世代情報デバイスへの応用です。
シリコンやGaAsなどの半導体だけでなく、原子一層の厚さで電流をオン･オフできる原子層物質や酸化物などこれまでにない機能を持つ半導体材料が近年多く発見されています。
この様な多彩な半導体が持つ独自の性質を明らかにすることで、スピンだけでなくバレーと呼ばれる新しい自由度や軌道流などこれまでのエレクトロニクスでは未活用だった物理量やそれに伴う機能を生み出せる可能性があります。
またスピン自体もこれまでスピンの上向きと下向きのみが活用され磁化反転などに応用されてきましたが、スピンが空間的に回転しながら伝搬することで生まれる電子スピン波はこれまでのスピンとは全く異なる性質を持つことから、現在の半導体集積回路で問題となる微細化の限界による電力消費量の急増や信号遅延の問題を解決できる切り札になる可能性があります。
これまで誰にも知られていなかった現象と、世界で初めて対峙できるのが研究の醍醐味。
好田研究室が目指すのは、次世代情報処理や量子技術などの未来技術への貢献、そして夢を夢で終わらせないための努力と挑戦です。
好田研究室の研究テーマ
ヘリカルスピントロニクス
量子スピントロニクス
金属スピントロニクス
Copyright © 2023 東北大学好田研究室